強冷散熱對磨削表面殘余應力的影響
時間:2011-05-20 08:44:02 來源:未知
殘余應力從微觀上講，是因加工后表面層的金屬晶格原子間距發生了變化，相對于毗鄰表面的里層金屬發生伸張或壓縮，而受到里層金屬的牽制。從宏觀上講，是指在沒有應力作用下的物體內部殘余著的內應力，它們在各局部之間保持適當的均衡。如果這種均衡受到破壞，物體的形狀就會發生變化或在表面產生裂紋。表面殘余拉應力會使工件疲勞強度大大降低，耐磨性和耐腐蝕性變差；相反表面殘余壓應力會使工件的疲勞強度提高。通常磨削加工多作為工件最終工序，磨削后產生的殘余應力的性質和大小將直接影響工件的使用性能。
1 磨削加工中殘余應力的產生
- 磨削中表面殘余應力的產生
- 機加工中工件表面殘余應力的產生主要受三個因素的制約：機械力引起的塑性變形、熱應力引起的塑性變形和相變引起的體積變化。在機械應力的作用下表面層發生塑性流動和延展現象，而里層金屬的彈性恢復變形受到已塑性變形表面金屬的牽制，表面產生殘余壓應力。磨削中產生的工件表面的高溫，使表面層進入完全塑性狀態，工件冷卻后表面層金屬收縮受到里層金屬的牽制，使表面產生殘余拉應力。當砂輪與工件接觸區溫度達到金屬相變溫度后，表面組織發生金相組織變化，其表面殘余應力的性質，隨磨削前后金相組織的變化而變化。已加工表面內殘余應力的產生是綜合以上幾個因素共同作用的結果。
- 在一般磨削過程中，比壓和摩擦較大，產生的磨削區溫度較高。工件表面常常因熱塑性變形而產生殘余拉應力。對此，有針對性地降低磨削表面的溫度，減少由此產生的塑性變形，就能抑制殘余拉應力的產生，甚至會產生殘余壓應力。強制冷卻磨削(簡稱強冷磨削)正是在此理論基礎上提出的。
- 強冷磨削機理
- 針對磨削過程中磨削表面溫度較高的情況，使用液氮對加工區域噴注，進行強制冷卻。液態氮的溫度為-196℃，是化工產業的副產品，無毒、無污染，易獲取，是很好的冷卻介質。將其噴注在待加工表面，通過氮的揮發可以迅速吸收大量熱量，使工件表面溫度急劇下降，工件表面遇冷而收縮，工件材料脆性增加，塑性變形減輕。磨削時，表面受到磨粒的切削、熨壓、熱應力以及強冷收縮的綜合作用，里層金屬因受擠壓而產生彈性變形。磨削后，工件表層因溫升使體積膨脹但受里層金屬彈性牽制，從而產生殘余壓應力，通過對比實驗發現：如常規磨削后工件表面為拉應力，在強冷磨削條件下，工件表面因強冷作用，已預先收縮，強冷磨削后，則工件表面收縮比常規磨削時的收縮量小，但里層金屬仍然產生彈性恢復，因而磨削后工件表面的拉應力減小或出現壓應力；如常規磨削后工件表面為壓應力，改用強冷磨削后，工件表面因強冷作用，已預先收縮，則解除強冷作用后，工件表現的擴張比常規磨削時的擴張量大，因而磨削后工件表面出現更大的壓應力。因此磨削中連續向工件待加工表面區噴注液氮，可抑制磨削熱的產生，以期獲得表面殘余壓應力。
2 強冷磨削試驗
以下兩個不同冷卻條件的試驗驗證都支持了強冷磨削機理。
試驗1 試件材質為45#鋼(退火)，尺寸規格為100×100×15矩形板，磨削用量vc=1320m/min，vw=7.2m/min，f=0.3mm/單位行程，ap= 0.045mm。
試件分三組：
- 一組常規磨削(用普通磨削液冷卻)：
- 二組強冷磨削(液氮從砂輪前向待加工表面噴注)：
- 三組強冷磨削(液氮從砂輪后向磨削區表面噴注)。
試驗2 磨削用量f=0.4mm/單位行程，ap=0.04mm，其余同試驗1。
試驗結果如表1、表2所示。
表1 試驗1磨削結果
| #p#分頁標題#e#測定項目 |
一組 |
二組 |
三組 |
磨削力s
132
-245
-235
表面粗糙度Ra(µm)
0.22
0.15
0.15
表2 試驗2磨削結果
| 測定項目 |
一組 |
二組 |
三組 |
磨削力s
141
-182
-180
表面粗糙度Ra(µm)
1.1
0.80
0.80
以上兩個試驗結果均在粗磨后，再次精磨取得。磨削后采用XYL-73型X射線應力測定儀，對表面應力進行了測定。
X射線應力測定是通過測量衍射角2q的改變求得晶面間距，從而換算得出金屬表面存在的應力為
sf=-
E
ctg[q
p
]·
∂(2q)
2(1+µ)
180
∂(sin2f)
式中：µ為泊松比：E為彈性模量：q為入射角：f為衍射晶面法線與試件表面法線夾角。
本實驗采用0°～45°法測定應力值，上式變為
sf=-
E
ctg[q
p
]·
2q0-2q45
=kD2q
2(1+µ)
180
sin2f1-sin2f2
式中：k為應力系數。
若2q為正，表示拉應力，反之為壓應力。計算結果見表1、表2。
3 結論與分析
- 強冷磨削可以使工件表面獲得殘余壓應力，或降低工件表面殘余拉應力大小，兩個試驗的常規磨削中，工件表面殘余應力都是拉應力，采用了強冷磨削工件表面呈現殘余壓應力狀態。從砂輪前后向工件表面噴注液氮，磨削后的殘余應力稍有不同。需要說明的是，不僅液氮噴注方向能影響殘余應力大小，工件表面相對于液氮的移動速度也影響著工件表面冷卻程度，應緩慢移動，使表層的冷卻更充分。液氮噴嘴距離工件表面越近冷卻效果越好。液氮的流量及其覆蓋面積應大于磨削熱的溫度場。總之，通過控制液氮噴嘴的移動速度和液氮流量以及其它磨削用量，可以達到控制工件表面殘余應力，改善表面質量的目的。
#p#分頁標題#e#
- 強冷磨削對降低已加工表面粗糙度有一定的效果。試驗1、2中表面粗糙度指標Ra分別由0.22µm和1.1µm降為0.15µm和0.85µm。
- 強冷磨削工藝方法簡單，使用方便，若采用人工控制液氮流量，冷卻效果不易控制：采用傳感器測溫通過溫控器控制液氮流量，能取得良好的冷卻效果，可主動控制殘余應力大小。
- 冷卻場周圍環境對冷卻效果有一定影響。保持空氣流動相對靜止，能提高冷卻效果。液氮氣化揮發產生的煙霧，會影響操作者對磨削區的觀察，應排除。